貴州光照水電站疊梁門(mén)分層取水效果監(jiān)測(cè)

陳棟為，陳國(guó)柱，趙再興，徐海洋，夏豪，郭艷娜，范欣柯

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)　550081)

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貴州光照水電站疊梁門(mén)分層取水效果監(jiān)測(cè)

陳棟為，陳國(guó)柱，趙再興，徐海洋，夏豪，郭艷娜，范欣柯

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081)

以國(guó)內(nèi)最先建成疊梁門(mén)分層取水措施的貴州光照水電站為例，結(jié)合其運(yùn)行特征制定分層取水效果監(jiān)測(cè)方案并予以實(shí)踐，通過(guò)壩前不同高程監(jiān)測(cè)、兩個(gè)引水洞疊梁門(mén)不同高程對(duì)比監(jiān)測(cè)、下游尾水監(jiān)測(cè)、發(fā)電進(jìn)水鋼管水溫監(jiān)測(cè)等方式與組合，探索分層取水措施效果監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，分析監(jiān)測(cè)成果對(duì)光照水電站疊梁門(mén)運(yùn)行效果的反映情況，初步總結(jié)目前監(jiān)測(cè)手段存在的困難與不足，并提出后續(xù)優(yōu)化建議。

疊梁門(mén)；分層取水；水溫監(jiān)測(cè)；光照水電站

疊梁門(mén)取水作為常用的低溫水影響減緩工程措施，在國(guó)內(nèi)外水利水電工程中均有大量應(yīng)用實(shí)例和成熟經(jīng)驗(yàn)[1-7]。光照水電站疊梁門(mén)分層取水結(jié)構(gòu)是目前國(guó)內(nèi)最典型的分層取水措施之一。電站建成運(yùn)行后，相關(guān)研究成果顯示，疊梁門(mén)有效地減緩了下泄低溫水對(duì)北盤(pán)江干流水溫的影響[8]。

根據(jù)目前光照水電站水溫監(jiān)測(cè)情況，存在壩前、壩體、進(jìn)水口以及尾水等水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不盡相同。本研究通過(guò)對(duì)不同監(jiān)測(cè)方式的水溫監(jiān)測(cè)結(jié)果以及不同高程的疊梁門(mén)運(yùn)行組合進(jìn)行對(duì)比[9-10]，探索分層取水措施效果監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，分析監(jiān)測(cè)成果對(duì)光照水電站疊梁門(mén)運(yùn)行效果的反映情況，總結(jié)目前監(jiān)測(cè)手段及疊梁門(mén)運(yùn)行調(diào)度存在的困難與不足，并提出后續(xù)優(yōu)化建議。

1　光照水電站疊梁門(mén)分層取水措施概況

1.1光照水電站工程概況

光照水電站位于貴州省關(guān)嶺縣和晴隆縣交界處，地處紅水河上游左岸最大支流北盤(pán)江上，正常蓄水位745 m，庫(kù)容32.45×108m3，為不完全多年調(diào)節(jié)型水庫(kù)。水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩，壩高195.5 m，壩頂高程750.5 m，壩頂長(zhǎng)度410 m。溢洪道型式為壩身敞開(kāi)式，堰頂高程745 m。

電站疊梁門(mén)取水設(shè)施主要由直立式攔污柵、疊梁閘門(mén)、喇叭口段、檢修閘門(mén)段等組成，為6孔疊梁門(mén)，進(jìn)水口底板高程670 m，頂部高程750.5 m，分為1#和2#兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立對(duì)稱(chēng)的進(jìn)水室，垂向分為6個(gè)取水口，每個(gè)取水口寬度7.5 m，門(mén)頂最低運(yùn)行水深15 m。

1.2疊梁門(mén)運(yùn)行調(diào)度概況

疊梁門(mén)操作采用2×320 kN門(mén)機(jī)，依據(jù)水庫(kù)水位漲落情況控制疊梁門(mén)啟閉。根據(jù)疊梁門(mén)設(shè)計(jì)要求，在魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵繁殖期保證疊梁門(mén)門(mén)頂水深為15～18 m，當(dāng)疊梁門(mén)門(mén)頂水深小于15 m時(shí)，則提起一節(jié)疊梁門(mén)；當(dāng)門(mén)頂水深大于18 m時(shí)，則放下一節(jié)疊梁門(mén)。

根據(jù)光照水電站開(kāi)展水溫監(jiān)測(cè)的時(shí)間，選擇了2個(gè)疊梁門(mén)調(diào)度的典型代表時(shí)段，分別為2009—2010年試運(yùn)行期間、2014年電站運(yùn)行期水溫分層明顯且下游水生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水溫較敏感的時(shí)段。2009—2010年試運(yùn)行期間，電站疊梁門(mén)雖已投入使用，但由于其運(yùn)行管理尚存在一定困難，實(shí)際運(yùn)行時(shí)平均取水水深約為37 m，未能保證取水深度在15～18 m，且兩個(gè)疊梁門(mén)高程不同，對(duì)應(yīng)機(jī)組發(fā)電流量也有差別，使得廠房尾水為壩前不同高程的混合水，因此下泄水溫也為混合后的水溫。2014年運(yùn)行期間，疊梁門(mén)調(diào)度主要集中在3—5月的魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期。考慮到疊梁門(mén)提起過(guò)程十分緩慢，單塊疊梁門(mén)提起過(guò)程近2 h，時(shí)值汛前水位下降較快，為防止門(mén)頂水深小于15 m進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)設(shè)備安全，電站將疊梁門(mén)平均取水水深控制在21.52 m，盡量接近設(shè)計(jì)要求的保證取水深度。

2　分層取水效果監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)光照水電站試運(yùn)行和運(yùn)行期典型時(shí)段的疊梁門(mén)調(diào)度情況，以及同期開(kāi)展的水溫監(jiān)測(cè)狀況，同時(shí)利用樞紐結(jié)構(gòu)及設(shè)備預(yù)先埋設(shè)的溫度探頭記錄資料，制訂了以下4種分層取水效果監(jiān)測(cè)方案。

(1)壩前垂向+壩下尾水人工監(jiān)測(cè)

人工檢測(cè)斷面設(shè)置在壩前1 km和電站尾水處，于2009年9月、2009年12月、2010年3月、2010年7月對(duì)壩前水溫共進(jìn)行了4次監(jiān)測(cè)。壩前中部位置布置1根垂線(xiàn)，在進(jìn)水口附近布置3根垂線(xiàn)，監(jiān)測(cè)范圍為庫(kù)表以下0.5 m至庫(kù)底，每隔5 m設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)相鄰測(cè)點(diǎn)溫差超過(guò)0.5℃時(shí)，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密。

(2)壩前垂向+壩下尾水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

水溫在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置在壩前1 km，按高程645、662、668、675、680、685、690、707、715、721、730、735 m布設(shè)12個(gè)探頭。距離電站尾水1 km處，在適合安裝水溫傳感器和遙測(cè)儀的斷面上安裝水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，進(jìn)行水溫自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

(3)壩體溫度計(jì)+發(fā)電進(jìn)水鋼管水溫監(jiān)測(cè)

壩體溫度計(jì)分3個(gè)壩段進(jìn)行埋設(shè)，以14#壩段為例，共計(jì)埋設(shè)溫度計(jì)22個(gè)，高程范圍為630～747 m；進(jìn)水口溫度計(jì)7個(gè)，高程范圍為690～744m。上述溫度計(jì)埋設(shè)位置距離壩前水體約0.5 m，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所在位置的溫度。

(4)不同疊梁門(mén)高度對(duì)比監(jiān)測(cè)

在試運(yùn)行期間，為直觀了解光照水電站分層取水措施的效果，調(diào)節(jié)兩個(gè)進(jìn)水口前疊梁門(mén)高度，分別單獨(dú)泄水發(fā)電，同時(shí)監(jiān)測(cè)下游水溫。具體方式為：將1#引水洞疊梁門(mén)高程設(shè)置在709 m后，對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)泄水，其后將2#引水洞疊梁門(mén)高程維持在682 m后，再對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)泄水，當(dāng)時(shí)壩前水位為728 m。

3　監(jiān)測(cè)結(jié)果及適用性分析

3.1水溫人工監(jiān)測(cè)

2009—2010年對(duì)貴州光照水電站壩前及尾水水溫進(jìn)行了4次人工監(jiān)測(cè)，各月平均水溫如表1所示。水溫人工監(jiān)測(cè)較為靈活，可及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)環(huán)境變化調(diào)整監(jiān)測(cè)方案，僅代表特定時(shí)間內(nèi)的當(dāng)次監(jiān)測(cè)結(jié)果，并可能存在人工操作誤差，無(wú)法提供連續(xù)性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不能動(dòng)態(tài)反映分層取水效果，適用于分層取水效果的水溫補(bǔ)充監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

表1　壩前及尾水水溫人工監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2水溫在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

2013年壩前1 km及尾水水溫在線(xiàn)監(jiān)測(cè)各月平均水溫情況如表2所示。水溫在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以對(duì)壩前水溫進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度和頻率較高，可監(jiān)測(cè)壩前和尾水逐時(shí)水溫，數(shù)據(jù)代表性較強(qiáng)。存在的問(wèn)題是自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程固定，為全面監(jiān)測(cè)壩前斷面垂向水溫分布，還需要進(jìn)行人工加密監(jiān)測(cè)。

3.3壩體溫度傳感器監(jiān)測(cè)

統(tǒng)計(jì)分析2009—2010年不同高程壩體混凝土溫度及發(fā)電引水鋼管水溫情況，結(jié)果如表3所示。不同高程的壩體混凝土溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅反映壩體混凝土溫度，無(wú)法直接監(jiān)測(cè)壩前水體水溫，對(duì)相應(yīng)高程處水溫值的反饋存在滯后與熱傳導(dǎo)干擾，與壩前實(shí)測(cè)水溫值差別較大，不宜采用其數(shù)據(jù)代表壩前垂向水溫。此外，發(fā)電機(jī)引水鋼管水溫監(jiān)測(cè)結(jié)果與同期尾水監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相同，可在一定程度上代表下泄水溫值。

表2　2013年壩前及尾水水溫在線(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果情況

表3　2009—2010年不同高程壩體混凝土溫度及發(fā)電引水鋼管水溫情況

3.4疊梁門(mén)不同高程對(duì)比監(jiān)測(cè)

疊梁門(mén)不同高程對(duì)比監(jiān)測(cè)可直觀地反映疊梁門(mén)分層取水措施的效果。考慮疊梁門(mén)啟閉耗時(shí)較長(zhǎng)、運(yùn)行期可操作性等問(wèn)題，該方案不適宜長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)疊梁門(mén)分層取水水溫減緩效果，可在工程試運(yùn)行初期進(jìn)行效果測(cè)試。

4　疊梁門(mén)分層取水效果分析

4.1分析指標(biāo)及方案確認(rèn)

(1)確定水溫恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)

分層取水措施設(shè)計(jì)時(shí)往往將下泄水溫恢復(fù)至天然水溫作為影響減緩目標(biāo)，但是水電站壩址處的天然水溫資料一般為歷史統(tǒng)計(jì)值，與工程運(yùn)行后下泄水溫的監(jiān)測(cè)周期不匹配，用兩者進(jìn)行比較往往差別較大，難以反映疊梁門(mén)分層取水措施的實(shí)際效果。另外，也可根據(jù)監(jiān)測(cè)期內(nèi)水庫(kù)上游入庫(kù)水溫的實(shí)測(cè)值，利用河道水溫預(yù)測(cè)模型計(jì)算出壩址處的天然水溫推求值。采用這種方法并滿(mǎn)足一定的精度和準(zhǔn)確度要求，需要建立適用于工程河段的一維水溫模型并進(jìn)行驗(yàn)證。由于工程建設(shè)前未開(kāi)展此類(lèi)工作，因此現(xiàn)階段進(jìn)行水溫推求的難度較大，準(zhǔn)確度也難以保證。

因此，以下泄水溫恢復(fù)至天然水溫的程度來(lái)分析疊梁門(mén)分層取水的減緩效果，存在較大局限性。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，可采用采取措施前后的下泄水溫變化程度，來(lái)評(píng)價(jià)疊梁門(mén)措施的水溫減緩效果。

(2)確定不采取措施情況下的對(duì)比水溫

要確定采取措施前后的下泄水溫變化值，首先要取得未采取措施時(shí)的下泄水溫值，這需要將至少一個(gè)引水洞前的全部疊梁門(mén)提啟后進(jìn)行測(cè)定。對(duì)于已投入運(yùn)行的工程而言，操作工作量較大，且不能持續(xù)開(kāi)展對(duì)比監(jiān)測(cè)。而根據(jù)對(duì)目前部分分層型水庫(kù)壩前、尾水水溫監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，在發(fā)電引用流量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，壩前進(jìn)水口高程對(duì)應(yīng)的壩前水溫與下泄水溫差異很小。對(duì)于已采取疊梁門(mén)措施的水電站，可考慮選擇引水洞口中心高程處的庫(kù)區(qū)水溫值代表無(wú)疊梁門(mén)時(shí)的下泄水溫。

(3)疊梁門(mén)運(yùn)行工況條件

疊梁門(mén)運(yùn)行時(shí)的工況條件對(duì)分層取水效果監(jiān)測(cè)的影響也較為關(guān)鍵，宜在水庫(kù)水溫呈現(xiàn)出較明顯分層現(xiàn)象的時(shí)段，疊梁門(mén)正常運(yùn)行且門(mén)頂水深盡可能接近設(shè)計(jì)淹沒(méi)水深的條件下實(shí)施監(jiān)測(cè)。根據(jù)2014年3—5月疊梁門(mén)調(diào)度情況，該時(shí)段正值水溫分層相對(duì)明顯的階段，疊梁門(mén)隨水位變化而及時(shí)進(jìn)行了調(diào)度，可以作為開(kāi)展低溫水影響效果監(jiān)測(cè)的典型工況條件。

(4)監(jiān)測(cè)方案選擇

經(jīng)過(guò)前述幾種方法優(yōu)缺點(diǎn)比較，本次采用壩前垂向+壩下尾水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)壩前及下游水溫日均變化情況。該方法可以對(duì)壩前水溫進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度和頻率較高，可監(jiān)測(cè)壩前和尾水的逐時(shí)水溫，數(shù)據(jù)代表性較強(qiáng)，較適合作為水電站疊梁門(mén)分層取水措施效果分析的基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.2分層取水效果分析評(píng)價(jià)

根據(jù)壩前垂向+壩下尾水在線(xiàn)水溫監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用引水洞口中心高程處的水溫值代表無(wú)疊梁門(mén)時(shí)的下泄水溫，進(jìn)而與下游實(shí)測(cè)值對(duì)比，分析光照疊梁門(mén)分層取水措施的效果，結(jié)果如表4所示。由表4比較結(jié)果可知，3—5月在采取疊梁門(mén)調(diào)度后，下泄水溫提高了0.7～3.4℃，且隨著庫(kù)表水溫的不斷提升，疊梁門(mén)分層取水措施效果越趨明顯，反映出在疊梁門(mén)攔擋作用下，更多的表層高溫水體被卷吸進(jìn)入發(fā)電機(jī)組后到達(dá)下游河道。

表4　疊梁門(mén)取水措施效果比較

5　結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)光照水電站不同類(lèi)型水溫監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，選取壩前垂向+壩下尾水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)作為分析分層取水效果的監(jiān)測(cè)方案。該方案可以對(duì)壩前水溫進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度和頻率較高，可監(jiān)測(cè)壩前和尾水逐時(shí)水溫，數(shù)據(jù)代表性較強(qiáng)，較適合作為水電站疊梁門(mén)分層取水措施效果分析的基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)類(lèi)比其他水電工程水溫監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，壩前引水洞口中心高程的水溫與下泄實(shí)測(cè)水溫差異較小，可用于代表未采取措施時(shí)的下泄水溫值，并與采取疊梁門(mén)措施后的溫升值進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)疊梁門(mén)分層取水措施的改善效果。

采用上述方法對(duì)光照水電站疊梁門(mén)分層取水效果的分析結(jié)果表明，在疊梁門(mén)正常穩(wěn)定運(yùn)行條件下，分層取水效果與庫(kù)區(qū)水溫分層狀態(tài)關(guān)聯(lián)較大，在庫(kù)表水溫較高時(shí)段，疊梁門(mén)分層取水措施的效果更加明顯。在監(jiān)測(cè)研究中也發(fā)現(xiàn)，目前疊梁門(mén)的運(yùn)行管理仍是一項(xiàng)煩瑣且耗時(shí)的工作，建議電站結(jié)合工程運(yùn)行以來(lái)的水庫(kù)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化疊梁門(mén)調(diào)度時(shí)段、調(diào)度方式，提高操作工作效率，確保此項(xiàng)生態(tài)保護(hù)措施持續(xù)有效地發(fā)揮效用。

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Effect Examination of Stoplog Stratified Intake Structure in Guangzhao Hydropower Station in Guizhou—A Case Study of the Pearl River Basin Guangzhao Hydropower Station

CHEN Dong-wei, CHEN Guo-zhu, ZHAO Zai-xing, XU Hai-yang, XIA Hao, GUO Yan-na, FAN Xin-ke

(PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, China)

Taking Guangzhao Hydropower Station, which was the first to use stoplog stratified intake structure in China, as an example, based on its operational characteristics, an effect examination scheme for stratified intake structure was designed and applied. Through different elevation observations, contrast observation between two water diversion tunnels, downstream tail water observation and water temperature observation of inflow pipe, this paper explored the technology and methods for effect examination of stoplog stratified intake structure, analyzed the results of observations of Guangzhao Hydropower Station’s stoplog operation, summarized the current preliminary observations difficulties and inadequate means, and proposed subsequent optimization recommendations.

stoplog; stratified intake structure; water temperature observation; Guangzhao Hydropower Station

2016-02-27

貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J字[2013]2300號(hào)；黔科合J字[2013]2296號(hào)；黔科合J字[2013]2298號(hào))

陳棟為(1982—)，男，山東莒縣人，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)樗h(huán)境與水生態(tài)，E-mail：44344079@qq.com

陳國(guó)柱(1962—)，男，江西人，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樗姽こ汰h(huán)保，E-mail：2505180055@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.03.012

X143；TV697.25

A

2095-6444(2016)03-0045-04